Documentação técnica:

Esse circuito foi desenvolvido para enviar o sinal de saída para uma base de aquisição de dados, que faz uso de conversores A/D. Alguns componentes do circuito existem em função deste componente, uma vez que ele pode gerar interferência. No entanto, isso não impede a operação do EEG fazendo uso do osciloscópio.

1. Filtro para Interferências de Radiofrequência (RF)

Ondas de radiofrequência podem implicar em um forte sinal DC na saída do circuito. Para evitar que este sinal errático se propague, um filtro diferencial passa baixa pode ser colocado antes do amplificador de instrumentação. O filtro deve ter as seguintes características:
I – Remover o máximo possível de energia de RF entre as linhas de entrada e o ground do circuito.
II – Preservar o sinal AC entre cada linha e o ground.
III – Manter uma alta impedância de entrada na faixa de medida para evitar o carregamento de sinal.

Neste circuito podemos ver que o filtro forma um circuito ponte cujas saídas são as entradas do amplificador de instrumentação (INA128P). Os valores de R1a e R1b devem ser os mesmos, assim como C1a e C1b. Qualquer desbalanceamento entre as constantes de tempo de C1a/R1a e C1b/R1b reduzirão a CMR de alta frequência.
Com os valores utilizados, o -3 dB deste filtro ficou em 400 Hz.

2. Circuito de Proteção

Utilizando diodos reversamente polarizados e conectando nas entradas de sinal, é possível fazer uma espécie de armadilha para sinais com tensão acima de um certo Vcc.

Neste circuito, se a tensão de entrada ou feedback do circuito for maior que Vcc, o sinal (seja positivo ou negativo), será desviado pelos diodos para a fonte de tensão. Se o sinal for menor (em módulo), seguirá para o amplificador de instrumentação e vice-versa.

3. Amplificador de Instrumentação

Pode-se dizer que o amplificador de instrumentação é o principal componente de um sistema medidor de biopotenciais. Além de selecionar o sinal desejado, deve reduzir os ruídos aos níveis mais baixos possíveis.
Um amplificador de instrumentação é praticamente um amplificador diferencial, com o adicionar de possuir buffers na entrada, de forma não ser necessário o casamento de impedância de entrada.
Algumas características deste amplificador são:
I – Alta impedância de entrada, visto que estamos interessados em amplificar uma diferença de potenciais.
II – Alta rejeição de modos comuns (alta CMRR)
III – Baixo ruído
IV – Não-linearidade (sinal depende também da intensidade da entrada)
V – Forte anti-interferência
VI – Boa performance na faixa de frequências necessárias
VII – Adicionais: Baixo DC offset.
Devido a todas essas especificações, um amplificador de instrumentação possível de ser utilizado é o INA128, da Texas Instruments. Este amplificador tem baixo custo e é fácil de encontrá-lo disponível no mercado.
O INA128P já serve de pré-amplificador do sinal também, pois possui um ganho interno de 13,5.

4. Circuito de rejeição de modo comum

Este circuito devolve o ruído do sinal de entrada do EEG de volta para o corpo, desta forma diminuindo qualquer interferência de modo comum e fortalecendo o sinal.

5. Filtro passa alta

O filtro passa alta serve para eliminar sinais de baixas frequências, geralmente produzidos por polarizações dos eletrodos e que podem eliminar o sinal do EEG na saída. A frequência de corte (-3 dB) do filtro utilizado é determinada pelo valor do resistor R8 e do capacitor C4, sendo igual a 0,05 Hz.

Neste esquemático, IN1 é o sinal de saída do INA128P e OUT2 é o sinal de referência que será utilizado no INA128P.

6. Amplificador Principal

O sinal já foi amplificado em torno de 13,5 vezes no amplificador de instrumentação, mas isso não é suficiente devido aos sinais cerebrais serem muito fracos. Para isso, depois do filtro passa alta é adicionado um amplificador de instrumentação, com ganho em torno de 51 vezes. Este valor é definido pelos valores de R10 e R9, escolhidos respectivamente como 2K e 100K.

O resistor R10 e o capacitor C5 presentes nesse bloco do circuito também podem agir como um filtro passa baixa. Utilizando a equação do filtro passa baixa de primeira ordem e o valor de 0,033uF para C5, com R10 já especificado anteriormente como 100K, obtem-se uma frequência de corte de aproximadamente 48,23 Hz.

7. Filtro passa-banda ativo

As duas filtragens realizadas anteriormente foram feitas utilizando filtros passivos de primeira ordem. No entanto, como o sinal do EEG é bastante fraco, é interessante realizar uma filtragem mais intensa das frequências indesejadas. Para realizar essa tarefa pode-se fazer uso de filtros ativos e de ordens maiores. No projeto foi usado um filtro passa-banda ativo de segunda ordem do tipo Sallen-key. Ele consiste de um filtro passa-baixa seguido de um passa alta.

7.1. Passa-baixa
A frequência de corte do filtro passa baixa depende dos valores de R11, R12, C6, C7 e do amplificador operacional U3C. Usando os valores da figura obtêm-se uma frequência de aproximadamente 102,43Hz. Ele seleciona o limite superior de frequências. Devido à necessidade de alimentação DC para alimentar os AMPOPs, é comum se utilizar de conversores AD, esse filtro atenua principalmente frequências provenientes desses conversores. Dependendo da qualidade do conversor, pode-se utilizar valores mais altas para a frequência de corte sem grandes problemas. No entanto, ele permite a passagem das frequências de 60Hz da rede elétrica, essas serão filtradas em um processo posterior.

7.2. Passa-alta
A frequência de corte do filtro passa alta depende dos valores de R13, R14, C8, C9 e do amplificador operacional U3D. Usando os valores da figura obtêm-se uma frequência de corte de aproximadamente 0,23Hz. Isso faz uma segunda filtragem mais forte dos sinais DC.

8. Amplificador Variàvel


Ainda é necessário uma amplificação adicional ao sinal do EEG. Dependendo da pessoa e do conversor A/D utilizado no projeto, ganhos diferentes podem ser necessários. Esse amplificador deve permitir ao operador selecionar o ganho mais adequado ao experimento. Para isso ele faz uso de um potenciômetro, indicado no desenho como VR1. Os valores de ganho utilizados podem variar de 1 até 100 vezes. O ganho é determinado pelos valores de R15, R16 e VR1.

9. Circuito Rejeita Banda de 50/60 Hz

A rede elétrica utiliza correntes alternadas com frequências de 50 ou 60 Hz (o valor varia de país para país), no Brasil é utilizada a frequência de 60 Hz. Ao final desta página, no item links, será deixado um link com a frequência utilizada em cada país caso seja de interesse. É necessário filtrar esse sinal, e esse processo deve ser realizado da forma mais precisa possível, uma vez que o valor a ser filtrado está dentro da faixa de frequências utilizadas para obter o sinal do EEG. Portanto, é necessário um filtro com alta atenuação da frequência escolhida mas baixa atenuação das frequências restantes (pequena largura de banda). Para obter a precisão é utilizada uma versão ativa do filtro duplo T rejeita banda (Active Twin - T - Notch Filter), ilustrada abaixo.

Para obter a precisão necessária é preciso obter valores precisos de capacitâncias e resistências, para isso se fez uso de potenciômetros de precisão (BOTAR CODIGO DOS POTENCIOMETROS), sendo estes ilustrados no desenho como VR2, VR3 e VR4, o potenciômetro VR5 pode ser um potenciômetro comum. Variando-se as resistências é possível chegar a um valor bastante preciso para o filtro. VR5 determina a intensidade da atenuação e a largura de banda, aumentar seu valor aumenta estas duas grandezas.

10. Circuito de Isolamento por Acoplamento Fotoelétrico

Eletrodos

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